天使粒子（“天使粒子”，是梦幻还是现实）

天使粒子(“天使粒子”，是梦还是现实)

[文字/科技力量柳叶刀]

一项新的研究表明，2017年发现的“马约拉纳费米”——手性马约拉纳费米模型，也被称为“天使粒子”，可能只是虚惊一场。

2020年1月3日，美国宾夕法尼亚州立大学常翠祖领导的团队在《科学》杂志上发表了一篇文章。该团队研究了超过36种类似于2017年成果报告中用于生成“天使粒子”的设备样本，但得到了不同的结果。在类似实验平台上观察到的结果不是由“天使粒子”引起的。

“天使粒子”的概念是由中国科学院外籍院士、斯坦福大学和清华大学教授张首晟提出的。2017年，王康龙、张首晟等多位中国科学家合作，首次报道发现了手性马约拉纳费米子模型，又称“天使粒子”，引起了学术界的广泛关注。

在粒子物理领域，Mayorana费米子是一种非常特殊的粒子，对应的反粒子就是它本身。由于其独特的性质可以用来构建拓扑量子计算机，物理学家对Mayorana费米子产生了极大的兴趣。

马约拉纳费米子对映体

在物理学中，最小和最基本的物质单位被称为“基本粒子”。它们是体积最小而不改变物理性质物质。基本粒子有两种:费米子和玻色子，分别以美国物理学家费米和印度物理学家玻色命名。基本粒子比原子和分子小得多，现有的放大倍数最高的电子显微镜无法观察到。

1928年，物理学家狄拉克预言，宇宙中的每个基本粒子都有一个反粒子——带相反电荷的“双胞胎”。当粒子和反粒子相遇时，它们会同时湮灭并释放能量。几年后，第一个反物质——电子的反粒子被发现。从此，宇宙中的每一个粒子都有它的反粒子，这被认为是绝对真理。

但是，会不会有一类没有反粒子的粒子，或者正负同构的粒子？1937年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳猜想应该有一些像费米子这样的粒子，它们是自己的反粒子，也就是我们今天所说的马约拉纳费米子。

意大利物理学家埃托雷·马约拉纳

马约拉纳费米一直有一个“最佳怀疑”，即中微子。然而，要证明这一点，需要在没有中微子的情况下进行β双衰变实验，人类还没有能够达到相应的实验精度。因此，一些科学家将注意力从粒子物理转向了凝聚态物理。

凝聚态物理研究的是由大量粒子组成的凝聚态结构，一般不可能直接观测到单个粒子。然而，固体材料(如金属、非金属、半导体、超导体)中的自由电子，在适当的外部条件下，如磁场、压力、温度等。，会产生一种特定的集体活动趋势，这可以看作是一种“准粒子”。

“准粒子”实际上是一个复杂系统的物理现象。虽然它不是一个“真正的”粒子，但它的行为就像一个粒子。

如果证明Mayorana Fermi能够帮助拓扑量子计算机的发展。

如果马约拉纳费米猜想得到证实，将在拓扑量子计算机的构建中发挥巨大作用。根据笔者查询到的信息，2017年，武汉大学的学者在《中国经济报道》上发表了一篇题为《正负同体的天使粒子》的文章，较为详细地指出了Mayorana Fermi在量子计算中的作用。

量子计算的实现面临着巨大的挑战:一个量子比特的信息非常难以存储，微弱的环境噪声会破坏其量子特性。量子比特难以存储的原因来自于量子纠缠，爱因斯坦称之为“隔空鬼魅般的动作”。以电子的“自旋”为例。当两个纠缠电子对中的一个顺时针转动时，另一个逆时针转动。量子纠缠可以预测相距甚远的电子对的状态。

量子纠缠

如果你观察到其中一个电子在某个时间顺时针旋转，那么另一个一定同时逆时针旋转。换句话说，如果你观察其中一个粒子，那么你不仅影响它，你的观察也会影响它的纠缠伴侣，而这与两个粒子之间的距离无关。

马约拉纳费米子没有反粒子，或者相当于半个传统粒子，这就提供了一种奇妙的可能性:一个量子比特可以分裂成两半，存储在两个非常遥远的马约拉纳费米子上。因此，传统的噪声极难同时以同样的方式影响这两个Mayorana费米子，进而破坏存储的量子信息，使得通常脆弱的存储量子比特的方式变得稳定。

利用Mayorana费米子构造的量子比特来计算和存储信息，信息量可以存储在两个独立的Mayorana费米子中。为了破坏它们储存的信息，这两种粒子必须同时受到干扰。这样的特性可以使拓扑量子计算和存储过程减少外部干扰，使存储更加稳定，使计算容错。(此部分引自《中国经济报道》:对体的“天使粒子”)

我找到了天使粒子的“足迹”，却没有看到它的“真身”

多年来，物理学家为寻找“马约拉纳费米”进行了艰苦的探索。张首晟选择凝聚态物理作为突破口，从2010年到2015年发表了三篇论文，给出了实现Mayorana费米子的系统和验证的实验方案。

随后，根据张首晟的理论，加州大学洛杉矶分校、加州大学戴维斯分校、加州大学欧文分校、上海科技大学等实验团队宣布发现“手性马约拉纳费米子模式”，并于2017年在《科学》杂志上发表研究论文。张首晟将这个新发现的“手性马约拉纳费米模块”命名为天使粒子。

王康龙、张首晟等科学家团队于2017年在《科学》杂志上发表了他们的研究成果。截图来自《科学》杂志。

然而，文章的第一作者、洛杉矶加州大学的潘磊说:“马约拉纳费米子原本是高能物理的一个概念，它是一个质量基本粒子。很多人认为中微子是马约拉纳费米子。在这里，有必要解释一下，现在所有的发现其实都不是关于Mayorana费米子的，而是关于‘符合Mayorana费米子的激发态’”。

将超导体重叠在磁性拓扑绝缘体上，将形成拓扑超导体，从而发现“天使粒子”。然而，磁性拓扑绝缘体与超导体的重叠并不仅仅来自于王康龙和张首晟等科学家的期刊文章。

“天使粒子”发现后，各大媒体争相报道，甚至出现了“准粒子”的虚假传说。《科学美国人》指出，“就连科研团队本身也从未声称找到了马约拉纳费米子，而是称之为马约拉纳费米子模块，这是一个字差，而且文章很多”。简单来说，我找到了“脚印”，却没有看到“真身”。

在《科学》杂志的这篇文章中，提到该团队在实验中观察到了“一维手性马约拉纳费米子模式”。事实上，研究团队在实验中看到的是霍尔效应的“半整数平台”，这是对马略拉那准粒子存在的重要理论预测。对此，马深理工学院教授温小刚曾表示，“这个实验直接测量了半整数量子化电导，间接意味着手性马约拉纳费米子存在的可能性”。

“天使粒子”的实验观测现象可能是由“短路”引起的

2020年1月3日，美国宾夕法尼亚州立大学的常翠祖等科学家在《科学》杂志上发表了一篇文章，表明在类似的实验平台上观察到的结果是不同的，他们只观察到了一种类似“短路”的现象。

常翠祖研究团队在《科学杂志》发表的最新论文截图来自《科学杂志》。

由常翠祖领导的宾夕法尼亚州立大学和德国维尔茨堡大学的物理学家团队试图重复加州大学洛杉矶分校团队的实验结果，但发现“毫米量子反常霍尔绝缘体和超导体异质结中的半整数量子化电导平台的边缘电流不是由手性马约拉纳费米子引起的”。

反常量子霍尔绝缘体与超导体之间的耦合机制形成新的拓扑量子态，超导体附着在反常量子霍尔绝缘体的上部(如图左图)；宾夕法尼亚州立大学和德国维尔茨堡大学的实验表明，该器件几何结构中使用的毫米超导体产生电短路，不符合手性马约拉纳费米子的理论预测(如右图所示)；图片来自宾夕法尼亚州立大学官网

研究团队测试了30多种类似于2017年研究报告中用于产生“天使粒子”的设备样品，但这种重复实验中的现象很难用手性马约拉纳费米理论预测的物理模型来解释。研究团队认为，与量子反常霍尔绝缘体紧密接触的超导体只是将两侧的量子反常绝缘体进行简单的电连接，这种“短路”电路导致了观测到的半整数量子化电导平台。简单来说，在新的重复实验中，研究人员认为观测到的半整数量子平台是由“短路”引起的，而不是由“天使粒子”引起的。

宾夕法尼亚州立大学第一纳米中心主任Moses Hung-Wai Chan表示，“事实上，宾夕法尼亚州立大学和维尔茨堡的两个实验室在各种设备配置下都获得了完全一致的结果，这让人们严重怀疑理论上提出的实验几何的有效性，对2017年‘天使粒子’的观测提出了质疑”。

然而，宾夕法尼亚州立大学博士后研究员Morteza Chear也是这一重复实验的参与者之一，他表示，“量子反常霍尔绝缘体和超导的结合是实现手性Mayorana费米子的一个有吸引力的方案，但我们的同行理论家需要重新思考器件的几何结构”。

结束语

经过80多年的艰苦探索，马约拉娜·费米就像歌剧魅影一样让人捉摸不透。曾一度认定它在凝聚态物理的流行材料上留下了“足迹”。因为涉及到拓扑量子计算机的构建，所以对马约拉纳费米的研究意义重大，但梦想能否成为现实还需要时间的检验。

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